[發(fā)明專利]一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復原方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510038465.0
• 申請日: 2015-01-27
• 公開（公告）號: CN104596650B
• 公開（公告）日: 2017-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 王帥;楊平;許冰;何星;劉文;董理治;傅筱瑩;陳小君
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明屬于光學信息測量技術領域，涉及一種測量入射光束波前的方法，尤其涉及一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復原方法。

背景技術

波前傳感器作為典型的現(xiàn)代光學測量手段，具有高精度、高速、高靈敏度等諸多特點，已被廣泛地應用于自適應光學、光學檢測、光電探測、激光通信等領域。尤其是對于自適應光學系統(tǒng)，光波波前的實時探測是實現(xiàn)光束波前像差穩(wěn)定高效校正的一個重要前提。目前，已有多種波前測量方法得到了實際應用，比如剪切干涉波前傳感技術、哈特曼波前傳感技術、曲率波前傳感技術和相位反演法等。這些方法各自的技術特征與性能優(yōu)勢十分不同，因而分別被用于各種不同應用場合，其中哈特曼波前傳感技術能同時測量兩個方向的波前斜率，光能利用率較高，結構簡單，并可探測連續(xù)光或脈沖光，已經(jīng)成為目前最流行、應用最廣泛的波前傳感技術之一。

典型的哈特曼波前傳感器可以參見中國專利申請公開說明書(申請?zhí)?8112210.8，公開號CN1245904)公開的一種光學波前傳感器，其實現(xiàn)方式主要采用波前分割采樣陣列元件(如微透鏡陣列)將入射波前分割成許多子孔徑，并分別匯聚到焦平面成像，光電探測器陣列(一般采用CCD探測器或者CMOS探測器)放置于波前分割采樣陣列元件的焦平面，采集一系列光斑陣列圖像，最終通過各子光斑質(zhì)心位置的計算處理獲得所需的波前相位測量數(shù)據(jù)。哈特曼波前傳感器具備鮮明的技術特點，但其性能短板也很明顯。其波前測量精度難以企及剪切干涉儀的水準，從而難以在高精度波前探測領域有所建樹，所以提升哈特曼波前傳感器波前測量精度一直是研究熱點。

哈特曼波前傳感器的波前探測數(shù)據(jù)是通過提取光斑陣列圖像中的有效信息，利用匹配的哈特曼波前傳感器波前復原算法重構得到的。自哈特曼波前傳感技術問世以來，將子孔徑中波前分布視為只含傾斜像差的平面便是其波前探測理論模型的基礎。因此，目前的哈特曼波前傳感復原算法中，不論是區(qū)域法(參見“Wave-front estimation from wave-front slope measurements”,W.H.Southwell.[J].JOSA 70(8),998-1006,1980)還是模式法(參見“Wave-front reconstruction using a Shack-Hartmann sensor”，R.G.Lane and M.Tallon.[J].Appl.Opt.31(32),6902-6908,1992)，均將上述模型基礎視為波前復原算法的前提條件，因而在單個方向上，在每個子孔徑中只提取一個波前傾斜斜率數(shù)據(jù)點，最終波前復原的精度以及整個哈特曼波前傳感器的空間分辨率都嚴格受限于波前分割采樣陣列元件的分辨率。因此，有關提高哈特曼波前傳感器探測精度的研究主要集中在提升光斑質(zhì)心(或者說是子孔徑內(nèi)波前斜率)的探測精度，其主要目的是在空間分辨率受限于波前分割采樣陣列元件的條件下，盡可能實現(xiàn)更高準確度的波前復原，但無法突破這一根本限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，突破哈特曼波前傳感器測量空間分辨率受限于波前分割采樣陣列元件分辨率的技術現(xiàn)狀，在不改變傳感器光學結構的基礎上，通過提供一種新型的哈特曼波前傳感器超分辨波前復原方法，以光斑陣列強度分布數(shù)據(jù)作為算法分析的核心對象，充分提取光斑陣列圖像中蘊含的信息(包括各光斑質(zhì)心偏移和光強彌散分布信息)，擺脫波前分割采樣陣列元件分辨率對波前重構過程的限制與干預，最終解放哈特曼波前傳感器探測的空間分辨率，使波前測量精度得以質(zhì)的提升。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種哈特曼波前傳感器超分辨波前復原方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)超過哈特曼波前傳感器衍射元件陣列分辨率的波前復原：

步驟1：已知近場強度分布I_near和哈特曼波前傳感器衍射元件陣列焦平面上(遠場)光斑陣列強度分布I_far，并選取波前復原方法中近場波前相位分布初始值φ_near，以實際近場強度分布I_near平方根作為近場光波振幅，則有近場光波復振幅為：

步驟2：根據(jù)衍射元件陣列的復振幅透過率函數(shù)，計算近場光波復振幅E_near透過衍射元件陣列后，傳播至衍射元件陣列焦平面上的遠場光波復振幅分布理論值：

式中A_far、φ_far分別為計算遠場光波振幅分布和波前分布；